同粘度液休的过滤
东北大学资源与土木工程学院徐新阳李海波罗茜
摘要:本文在分析了高牯度液体流变性的基础上,介绍了高粘度液体的过滤特性、过滤介质的选择及
常用的过滤机设备。
1高粘液体的流变性
高粘度液体是指粘度远大于水的流态,它们的粘度很高,例如合成纤维的聚合物溶液的粘度可达几十至上百泊。通常用由Ostwald和Dewaele提出的经验公式来描述高粘度液体流变性:O
f=kT4(1)
式中kjt是与材料有关的常数。当n=1时,即为牛顿流体,k就是粘度;n≠1时,n称为流动指数,用来表示该流体与牛顿体的差异;7为是剪切速率。则当令‰=k3'”1,则
r=/.t。y(2)
称以为高粘流体的表观粘度,它是速度梯度(或剪切速率)的函数,是高粘液体在某一剪切速率下所表现出来的粘度,可以用粘度计测得。高粘度液体的指数n是一个变数,Brodngan、Gaskins等人的研究表明,kr与l酊问的关系是一条呈…S形曲线。
随着剪切速率的逐渐增大,高粘度液体的流变性分为三个区域:(1)剪切速率较小时为近似牛顿体区,n是定值,这时的p。(用/.to表示)称为“零剪切”粘度或初始牛顿粘度;(2)剪切速率中等时为非牛顿体区,n<l,曲‘肛;(3)高剪切速率时为近似牛顿体区,n接近定值,可得卢。“无限剪切”粘度或最终牛顿粘度。高粘度流体的粘度随着剪切速率的增加由近似牛顿体一伪塑体一近似牛顿体的变化的现象源于其分子结构,主要是其高分子链的严重不对称性,液体的粘滞性就是其内摩擦的体现,在有速度梯度的流动中,不对称的长链大分子会发生伸直与取向,内摩擦减小,粘度降低,速度梯度越高,这种现象越显著,在低剪切速率下没有这种分子的取向,太高速度梯度也不是这样,所以高聚物流体在两端的速度梯度范围内,粘度基本为一定值,而在中间范围内粘度是随速度梯度而变,有人将其称为“反常粘度”。正是因为高粘度液体的这种性质,才使它们的过滤速率不园其粘度极大而急剧降低,且过滤功耗不会急剧增加。高粘度流体流变特性的研究还有待于继续深入。
分子量是影响物质粘度的主要因素,随着分子量的增加粘度大幅度升高,而随着温度的升高,年度通常是降低的。高粘度液体常表现出伪塑体的特性,即表观粘度随着剪切速率的增加而降低,表1列出的是尼纶66和聚酯(PE—PP)体系的熔体的流动指数n与剪切速率间的关系。
2高粘度液体的过滤特性
在合成纤维、薄膜、塑料等的生产中,挤压机后配有过滤机,它们要在高温(达300℃)下用高压・64・
表1某些高粘度液体的r/,值与剪切速率的关系
(达250bar)处理达3000泊以上的高粘度料浆,过滤精度要小于3仙m,目的是除去聚合物中的凝胶、加入的凝聚剂和催化剂、聚合物含有的杂质等,以保证在纺纱等阶段的聚合物质量,所以希望过滤机能连续工作,不停止或中断聚合物流。
高粘度液体过滤的主要目的是除去其中的颗粒状杂质。这些颗粒大部分是多种形态的胶粒和半胶粒、非均质性杂质、来自原料的固体颗粒,颗粒粒度范围大致0—100Ixm,大部分小于20iJ.m,极易堵塞过滤介质孔隙。过滤时在介质上主要以三种形式存在:形成滤饼;逐渐堵塞过滤介质,穿过滤孔或沉积在孔道中。可以由过滤速度和过滤压差的变化特性来判断。
选择适合高粘度液体过滤的过滤介质是比较困难的,必须考虑过滤前后的堵塞程度、粘度、侵蚀性、时稳性(因为一些聚合物溶液有触变性)、耐热性、过滤速率的极限、介质一颗粒一滤液间的荷电和电位差、安全条件、生产规模等。选择的过滤介质必须满足:四点基本要求:满足过滤精度要求、在过滤相当多的悬浮液体积时不造成电荷积累、具有相当的化学稳定性、易于再生。对高粘度液体首选的是不可压缩的过滤介质,因为可压缩介质堵塞和压缩同时存在。
2.1过滤介质和元件
过滤介质决定了流速和对聚合物中杂质的截留能力。高粘度液体过滤常用的过滤介质有:①不锈钢的丝网,可在很高的压差下截住可变形的颗粒,如胶体;②烧结金属粉末,过滤精度为3—50p.in,属深层过滤介质,其孔径没有级别结构,孔隙率低,在过滤时导致很高的剪切速率;③烧结金属纤维(无纺介质),其孔隙率可高达50%一90%,可制成单层或多层,可设计成有级别的孔径,因此其截留能力很高,寿命也长,过滤精度1—60¨m。日本FUJI公司生产的FUJI多层板,用几层304、316不锈钢丝网烧结而成,其内层非常细,确定过滤精度,内层上下有粗网作为支撑和保护层。属表层过滤介质,便于反冲洗。适用于特别热、腐蚀性强和高压条件,不弯曲,不分层,耐用,工作时间长。可用这种板制成过滤管、盘等元件;④陶瓷和金属陶瓷,也可以做成多层或双层的,金属陶瓷虽然很好,但很贵,所以仅在要求必须长期工作的情况下才应用。
一般纺织用树脂是用lO~20I.Lm的金属纤维介质;包装材料用树脂或瓶装树脂是用20—4JD岬的金属纤维介质.。高牯度液体过滤由于污染物逐渐堵塞介质,压降逐渐增加,若选用的是深层过滤式介质,过滤压差可比过滤初期高出55—76bar。
目前用于聚合物过滤的过滤元件主要是圆筒烛式和叶盘式。这两种过滤元件都是三明治式的,即上(或外)层是相对较粗的编织网保护过滤介质层,下(或内)层是相对较细的编织网作为支撑。防止纤维过滤介质在高压下被破坏。在两种设计中,介质和下(内)层编织网又用多孔板支撑。
使用叶盘元件时是将它们摞起来。对于5斗m以下的过滤,带摺的过滤介质难以保证介质的确定性,则最好选用叶盘,由于叶盘比较耐用,所以在较粗过滤时也用。但清洗叶盘式过滤机很困难,虽然目前已做成组装式的,清洗仍困难和费时。
圆筒烛式过滤元件是过滤聚合物液体的新型元件,有包套和带摺两种形式。包套式比带摺式的便宜。可用于高粘树脂在高压下的过滤,在此条件下,带摺式的可能承受不了。
带摺式的应用广泛,因为其面积大因而比较经济,而且可再利用。随着对产品质量要求的提高及应用于更细更薄、压力更高等情况,新型的带摺烛过滤器是缩小内容积,外形呈流线形,改善聚合・65・
物流动,消除低速面积。这种滤芯的轧光处理很重要。
带摺式介质不适用于高粘物料,成本高、清洗困难,发展方向是双层陶瓷,不仅纳污能力高,而且因为致密而使粗粒污物进不去。
2.2高粘度液体过滤设备
2.2.1问断式过滤机
卷筒式过滤机是过滤高粘聚合物的重要过滤机,可使用多种过滤元件,过滤面积可达80m2,为提高过滤机的过滤精度和处理量,可有多种变形。增加过滤面积的方法通常是用带摺式。这类过滤机的主要缺点是单位过滤面积所站空间较大,再生时要用较多的洗涤液。
单卷筒式也称为为烛式过滤机,由于过滤机体积小,就可生成比卷筒式大几倍的压力,这对特异性的聚合物要认真考虑,因为在高压下它们的有效粘度可能降低。
碟盘式过滤机广泛用于过滤中等和比较粘的物料的过滤。碟式过滤机的各种类型主要区别是在洗涤和卸料方面,如离心碟式过滤机依靠离心作用卸料。
为解决组合碟盘组件、外壳和心轴的困难,FaireyMierofiltrex公司将20个碟盘摞焊接组合在一起称为单块碟盘式盒0nestack“。
板框式厢式压滤机的过滤压力可达2.5MPa。前苏联用于聚合物过滤的厢式压滤机的人料是在下部,滤液由上下两个通道流出,滤框用不锈钢或台金钢或环氧树脂。为了洗涤滤渣,上下通道均较宽,下通道和过滤元件相通;上通道用水平隔板和悬浮液相隔,隔板上有涂橡胶的窄缝和每个过滤单元相通构成过滤空间,被洗涤下来的杂质则由下部利用搅拌器将它们排出。过滤中在达到既定压力后可通入空气或氮气压缩滤饼。为改善滤饼洗涤,前苏联还推出带洗涤一吹气的板框压滤机,在滤饼洗涤后吹人压缩空气强化洗涤效果。
2.2.2连续过滤机。一
双通道式是采用两个互换的过滤系统实现过程连续的过滤机,这种过滤机的特点是可快速组装、更换滤网组件、就地洗涤、流动稳定、料流停留时间短等。多通道的连续过滤机的每个陶瓷的烛式过滤元件垂直地放在各自的简体中,元件内插有滤液管,每组过滤组件均安在分配圆盘上,分配圆盘由棘轮带动旋动,使各个过滤元件轮流处于过滤未过滤和循环的料液中,实现连续作业。在0.5MPa的定压下,采用双层陶瓷过滤介质(80斗m和50斗m),处理量可达35a13/d。
在过滤复合成分的高粘度聚合物时,熔融体的很小的粘度变化都会影响纤维的形状和分裂度。为保证产品质量开发了变容积式过滤机,它由多个烛芯过滤元件组成,每个过滤元件都封在自己的室内,有统一的出人口,改变过滤元件的个数就改变了处理量或流速。每个聚合物室内的空间都呈微小的锥形,聚合物流速沿过滤机长度是变化的,这样就消灭了”慢区”,解决了聚合物因长停留时间而被截留。过滤元件易于拆换。
熔融塑料在其进人模子之前要除去其中的颗粒杂质。基本的挤压机是由榨碎板(breakerplate)和筛摞组成,没有筛转移器(8cl'eenchanger)。为改善劳动条件和解决过程的中断而发展了多种形式的筛转移器,主要有:
滤带式连续筛转移器用不锈钢的编织滤带或滤筛构成,由挤压的水力驱动。通过控制作用在筛头的压力调节滤带的运动;没有机械密封;滤带通过窄缝进出,窄缝的宽度仅够筛子滑进滑出,循环的冷水用于使塑料固化起到密封防漏的作用。
圆筒(盘)式筛转移器EASC型扩展面积的筛转移器,其特点是用圆筒(盘)形滤芯,比普通平板形的过滤面积大5倍。在更换榨碎板时无须中断过程。
近期开发的Corr-ex带摺榨碎板的系统,基于这种板的形状,可提高过滤面积60%,从而可用・66・
于高污物含量的塑料工业。SOLMELT新系统的盘由原来的垂直放改为水平放,有利于密封和保持定压,最终可提高滤出的聚合物质量。可过滤熔融体和其他聚合物定压下的精细过滤,随着盘的旋转,污染介质最终从上流退出,损失极少,防止了氧化,对高性能的塑料,暴露的部分用可见物质制成的层盖上,在盘的空间上面形成可通人惰性气体的空间。新过滤机减少熔融体的降解。
高粘度液体过滤常用的过滤机还有各种形式离心过滤机,例如推进式过滤离心机、卧式螺旋卸料过滤离心机等,卧式螺旋卸料过滤离心机的分离因数可达3000左右,因而离心机体积小、分离效率高、滤饼的含湿量比较低、生产能力大、单位产量的能耗低。单位生产能力的离心机成本低,对进料浓度和粘度波动的适应性强。・67・
同粘度液休的过滤
东北大学资源与土木工程学院徐新阳李海波罗茜
摘要:本文在分析了高牯度液体流变性的基础上,介绍了高粘度液体的过滤特性、过滤介质的选择及
常用的过滤机设备。
1高粘液体的流变性
高粘度液体是指粘度远大于水的流态,它们的粘度很高,例如合成纤维的聚合物溶液的粘度可达几十至上百泊。通常用由Ostwald和Dewaele提出的经验公式来描述高粘度液体流变性:O
f=kT4(1)
式中kjt是与材料有关的常数。当n=1时,即为牛顿流体,k就是粘度;n≠1时,n称为流动指数,用来表示该流体与牛顿体的差异;7为是剪切速率。则当令‰=k3'”1,则
r=/.t。y(2)
称以为高粘流体的表观粘度,它是速度梯度(或剪切速率)的函数,是高粘液体在某一剪切速率下所表现出来的粘度,可以用粘度计测得。高粘度液体的指数n是一个变数,Brodngan、Gaskins等人的研究表明,kr与l酊问的关系是一条呈…S形曲线。
随着剪切速率的逐渐增大,高粘度液体的流变性分为三个区域:(1)剪切速率较小时为近似牛顿体区,n是定值,这时的p。(用/.to表示)称为“零剪切”粘度或初始牛顿粘度;(2)剪切速率中等时为非牛顿体区,n<l,曲‘肛;(3)高剪切速率时为近似牛顿体区,n接近定值,可得卢。“无限剪切”粘度或最终牛顿粘度。高粘度流体的粘度随着剪切速率的增加由近似牛顿体一伪塑体一近似牛顿体的变化的现象源于其分子结构,主要是其高分子链的严重不对称性,液体的粘滞性就是其内摩擦的体现,在有速度梯度的流动中,不对称的长链大分子会发生伸直与取向,内摩擦减小,粘度降低,速度梯度越高,这种现象越显著,在低剪切速率下没有这种分子的取向,太高速度梯度也不是这样,所以高聚物流体在两端的速度梯度范围内,粘度基本为一定值,而在中间范围内粘度是随速度梯度而变,有人将其称为“反常粘度”。正是因为高粘度液体的这种性质,才使它们的过滤速率不园其粘度极大而急剧降低,且过滤功耗不会急剧增加。高粘度流体流变特性的研究还有待于继续深入。
分子量是影响物质粘度的主要因素,随着分子量的增加粘度大幅度升高,而随着温度的升高,年度通常是降低的。高粘度液体常表现出伪塑体的特性,即表观粘度随着剪切速率的增加而降低,表1列出的是尼纶66和聚酯(PE—PP)体系的熔体的流动指数n与剪切速率间的关系。
2高粘度液体的过滤特性
在合成纤维、薄膜、塑料等的生产中,挤压机后配有过滤机,它们要在高温(达300℃)下用高压・64・
表1某些高粘度液体的r/,值与剪切速率的关系
(达250bar)处理达3000泊以上的高粘度料浆,过滤精度要小于3仙m,目的是除去聚合物中的凝胶、加入的凝聚剂和催化剂、聚合物含有的杂质等,以保证在纺纱等阶段的聚合物质量,所以希望过滤机能连续工作,不停止或中断聚合物流。
高粘度液体过滤的主要目的是除去其中的颗粒状杂质。这些颗粒大部分是多种形态的胶粒和半胶粒、非均质性杂质、来自原料的固体颗粒,颗粒粒度范围大致0—100Ixm,大部分小于20iJ.m,极易堵塞过滤介质孔隙。过滤时在介质上主要以三种形式存在:形成滤饼;逐渐堵塞过滤介质,穿过滤孔或沉积在孔道中。可以由过滤速度和过滤压差的变化特性来判断。
选择适合高粘度液体过滤的过滤介质是比较困难的,必须考虑过滤前后的堵塞程度、粘度、侵蚀性、时稳性(因为一些聚合物溶液有触变性)、耐热性、过滤速率的极限、介质一颗粒一滤液间的荷电和电位差、安全条件、生产规模等。选择的过滤介质必须满足:四点基本要求:满足过滤精度要求、在过滤相当多的悬浮液体积时不造成电荷积累、具有相当的化学稳定性、易于再生。对高粘度液体首选的是不可压缩的过滤介质,因为可压缩介质堵塞和压缩同时存在。
2.1过滤介质和元件
过滤介质决定了流速和对聚合物中杂质的截留能力。高粘度液体过滤常用的过滤介质有:①不锈钢的丝网,可在很高的压差下截住可变形的颗粒,如胶体;②烧结金属粉末,过滤精度为3—50p.in,属深层过滤介质,其孔径没有级别结构,孔隙率低,在过滤时导致很高的剪切速率;③烧结金属纤维(无纺介质),其孔隙率可高达50%一90%,可制成单层或多层,可设计成有级别的孔径,因此其截留能力很高,寿命也长,过滤精度1—60¨m。日本FUJI公司生产的FUJI多层板,用几层304、316不锈钢丝网烧结而成,其内层非常细,确定过滤精度,内层上下有粗网作为支撑和保护层。属表层过滤介质,便于反冲洗。适用于特别热、腐蚀性强和高压条件,不弯曲,不分层,耐用,工作时间长。可用这种板制成过滤管、盘等元件;④陶瓷和金属陶瓷,也可以做成多层或双层的,金属陶瓷虽然很好,但很贵,所以仅在要求必须长期工作的情况下才应用。
一般纺织用树脂是用lO~20I.Lm的金属纤维介质;包装材料用树脂或瓶装树脂是用20—4JD岬的金属纤维介质.。高牯度液体过滤由于污染物逐渐堵塞介质,压降逐渐增加,若选用的是深层过滤式介质,过滤压差可比过滤初期高出55—76bar。
目前用于聚合物过滤的过滤元件主要是圆筒烛式和叶盘式。这两种过滤元件都是三明治式的,即上(或外)层是相对较粗的编织网保护过滤介质层,下(或内)层是相对较细的编织网作为支撑。防止纤维过滤介质在高压下被破坏。在两种设计中,介质和下(内)层编织网又用多孔板支撑。
使用叶盘元件时是将它们摞起来。对于5斗m以下的过滤,带摺的过滤介质难以保证介质的确定性,则最好选用叶盘,由于叶盘比较耐用,所以在较粗过滤时也用。但清洗叶盘式过滤机很困难,虽然目前已做成组装式的,清洗仍困难和费时。
圆筒烛式过滤元件是过滤聚合物液体的新型元件,有包套和带摺两种形式。包套式比带摺式的便宜。可用于高粘树脂在高压下的过滤,在此条件下,带摺式的可能承受不了。
带摺式的应用广泛,因为其面积大因而比较经济,而且可再利用。随着对产品质量要求的提高及应用于更细更薄、压力更高等情况,新型的带摺烛过滤器是缩小内容积,外形呈流线形,改善聚合・65・
物流动,消除低速面积。这种滤芯的轧光处理很重要。
带摺式介质不适用于高粘物料,成本高、清洗困难,发展方向是双层陶瓷,不仅纳污能力高,而且因为致密而使粗粒污物进不去。
2.2高粘度液体过滤设备
2.2.1问断式过滤机
卷筒式过滤机是过滤高粘聚合物的重要过滤机,可使用多种过滤元件,过滤面积可达80m2,为提高过滤机的过滤精度和处理量,可有多种变形。增加过滤面积的方法通常是用带摺式。这类过滤机的主要缺点是单位过滤面积所站空间较大,再生时要用较多的洗涤液。
单卷筒式也称为为烛式过滤机,由于过滤机体积小,就可生成比卷筒式大几倍的压力,这对特异性的聚合物要认真考虑,因为在高压下它们的有效粘度可能降低。
碟盘式过滤机广泛用于过滤中等和比较粘的物料的过滤。碟式过滤机的各种类型主要区别是在洗涤和卸料方面,如离心碟式过滤机依靠离心作用卸料。
为解决组合碟盘组件、外壳和心轴的困难,FaireyMierofiltrex公司将20个碟盘摞焊接组合在一起称为单块碟盘式盒0nestack“。
板框式厢式压滤机的过滤压力可达2.5MPa。前苏联用于聚合物过滤的厢式压滤机的人料是在下部,滤液由上下两个通道流出,滤框用不锈钢或台金钢或环氧树脂。为了洗涤滤渣,上下通道均较宽,下通道和过滤元件相通;上通道用水平隔板和悬浮液相隔,隔板上有涂橡胶的窄缝和每个过滤单元相通构成过滤空间,被洗涤下来的杂质则由下部利用搅拌器将它们排出。过滤中在达到既定压力后可通入空气或氮气压缩滤饼。为改善滤饼洗涤,前苏联还推出带洗涤一吹气的板框压滤机,在滤饼洗涤后吹人压缩空气强化洗涤效果。
2.2.2连续过滤机。一
双通道式是采用两个互换的过滤系统实现过程连续的过滤机,这种过滤机的特点是可快速组装、更换滤网组件、就地洗涤、流动稳定、料流停留时间短等。多通道的连续过滤机的每个陶瓷的烛式过滤元件垂直地放在各自的简体中,元件内插有滤液管,每组过滤组件均安在分配圆盘上,分配圆盘由棘轮带动旋动,使各个过滤元件轮流处于过滤未过滤和循环的料液中,实现连续作业。在0.5MPa的定压下,采用双层陶瓷过滤介质(80斗m和50斗m),处理量可达35a13/d。
在过滤复合成分的高粘度聚合物时,熔融体的很小的粘度变化都会影响纤维的形状和分裂度。为保证产品质量开发了变容积式过滤机,它由多个烛芯过滤元件组成,每个过滤元件都封在自己的室内,有统一的出人口,改变过滤元件的个数就改变了处理量或流速。每个聚合物室内的空间都呈微小的锥形,聚合物流速沿过滤机长度是变化的,这样就消灭了”慢区”,解决了聚合物因长停留时间而被截留。过滤元件易于拆换。
熔融塑料在其进人模子之前要除去其中的颗粒杂质。基本的挤压机是由榨碎板(breakerplate)和筛摞组成,没有筛转移器(8cl'eenchanger)。为改善劳动条件和解决过程的中断而发展了多种形式的筛转移器,主要有:
滤带式连续筛转移器用不锈钢的编织滤带或滤筛构成,由挤压的水力驱动。通过控制作用在筛头的压力调节滤带的运动;没有机械密封;滤带通过窄缝进出,窄缝的宽度仅够筛子滑进滑出,循环的冷水用于使塑料固化起到密封防漏的作用。
圆筒(盘)式筛转移器EASC型扩展面积的筛转移器,其特点是用圆筒(盘)形滤芯,比普通平板形的过滤面积大5倍。在更换榨碎板时无须中断过程。
近期开发的Corr-ex带摺榨碎板的系统,基于这种板的形状,可提高过滤面积60%,从而可用・66・
于高污物含量的塑料工业。SOLMELT新系统的盘由原来的垂直放改为水平放,有利于密封和保持定压,最终可提高滤出的聚合物质量。可过滤熔融体和其他聚合物定压下的精细过滤,随着盘的旋转,污染介质最终从上流退出,损失极少,防止了氧化,对高性能的塑料,暴露的部分用可见物质制成的层盖上,在盘的空间上面形成可通人惰性气体的空间。新过滤机减少熔融体的降解。
高粘度液体过滤常用的过滤机还有各种形式离心过滤机,例如推进式过滤离心机、卧式螺旋卸料过滤离心机等,卧式螺旋卸料过滤离心机的分离因数可达3000左右,因而离心机体积小、分离效率高、滤饼的含湿量比较低、生产能力大、单位产量的能耗低。单位生产能力的离心机成本低,对进料浓度和粘度波动的适应性强。・67・